CN102108458A - 一种金刚石/铜高导热复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种金刚石/铜高导热复合材料及其制备方法，复合材料包括基体材料铜，增强体材料为包覆着铬或钼或钨或钛的金刚石颗粒，其中增强体在材料中所占的体积份数为15％-65％，复合材料的制备方法是先将金刚石颗粒与纯铬粉或钼粉或钨粉或钛粉在混料机中混合，高温处理后采用电沉积工艺制备高导热复合材料。本发明解决了金刚石/铜界面结合不好的问题，避免高温条件下金刚石石墨化等问题，所制备的复合材料具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，可满足大功率集成电路封装材料的需求。

Description

一种金刚石/铜高导热复合材料及其制备方法
技术领域
本发明是一种金刚石/铜高导热复合材料及其制备方法，属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
随着电子技术的不断发展，电子元器件集成化程度越来越高，芯片的运算速度越来越快，发热量也越来越大，微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度过高而无法正常工作。金属材料中铜、铝的热导率较高，但热膨胀系数与Si和GaAs等相差较大，器件工作时会产生较大的应力；Invar和Kovar合金具有非常低的热膨胀系数和良好的焊接性，但热导率还不到20W/(m·K)，根本无法满足大功率器件上的应用；目前应用广泛的W/Cu、Mo/Cu以及Si/Al、SiC/Al等材料的热导率也仅在120-210W/(m·K)的范围内，还是无法满足高功率集成电路的要求。
金刚石具有着良好的物理性能，其室温热导率为600～2200W/(m·K)，热膨胀系数0.8×10-6/K，且不存在各相异性，并且随着人工合成金刚石技术的不断成熟，生产成本大幅下降，使得人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能。1995年美国采用真空浸渗法制备出可作为多芯片模板的基板使用的金刚石/铜复合材料，热导率420W/(m·K)，CET为5.48～6.5×10-6K，制备过程需要真空设备成本较高。2003年日本科学家通过高温高压的方法制备出金刚石/铜复合材料，热导率可达742W/(m·K)，俄罗斯科学家也采用高温高压的制备工艺获得了导热达900W/(m·K)的金刚石/铜复合材料，高温高压的工艺条件极其苛刻，所获得的复合材料体积很小，应用意义不大。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的缺点而设计提供了一种金刚石/铜高导热复合材料及其制备方法，其目的是制备的金刚石/铜高导热复合材料热导率能达到380～750W/(m·K)，线膨胀系数5.0～11.6×10-6K，可满足大功率集成电路的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明技术方案提出了一种金刚石/铜高导热复合材料，其特征在于：该复合材料是由包覆铬、钼、钨或钛的金刚石颗粒增强体和基体铜混合而成，其中金刚石颗粒增强体在材料中所占的体积份数为15％～65％。
所述的金刚石颗粒尺寸优选为0.5～125μm。包覆金刚石颗粒的铬、钼、钨或钛层的厚度为0.05～3μm。
本发明技术方案还提出了用于制备上述金刚石/铜高导热复合材料的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)将金刚石颗粒与纯铬、钼、钨或钛粉在混料机中充分混合后取出，在氩气保护气氛中加热到300～600℃，保温0.5～2小时，随炉冷却，所得的金刚石表面包覆有铬、钼、钨或钛层；
(2)将包覆着铬、钼、钨或钛的金刚石颗粒置于电解液中，进行电沉积铜的制备工艺，该工艺参数为：
电沉积溶液组成：焦磷酸铜10-80g/L、焦磷酸钾200-400g/L、柠檬酸铵60g/L；
电沉积工艺条件：电流密度0.5-4.0A/dm2，搅拌速度200-600r/min，温度50℃。
本发明技术方案的优点：
1.本发明制备的金刚石/铜高导热复合材料热导率380～750W/(m·K)，线膨胀系数5.0～11.6×10-6K，可满足大功率集成电路的需求。
2.本发明通过铬或钼或钨或钛层的加入，改善了金刚石与铜的界面结合状态，使复合材料的界面热阻大大降低，从而获得了导热性能良好的复合材料。
3.本发明省去了通过的高温高压复杂工艺过程，防止了金刚石在高温下的石墨化等不利反应，且制备的复合材料近净型程度化高。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例1：
将纯铬粉与8μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料48小时取出，在氩气保护气氛中400℃处理0.5小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜80g/L、焦磷酸钾200g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度2.0A/dm2，搅拌速度600r/min，温度50℃的电沉积制备工艺15小时。所得的复合材料热导率680W/(m·K)，线膨胀系数7.2×10-6K，增强体所占的体积份数为45％。
实施例2
将纯钼粉与0.5μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料72小时取出，在氩气保护气氛中300℃处理2小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜60g/L、焦磷酸钾300g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度0.5A/dm2，搅拌速度200r/min，温度50℃的电沉积制备工艺12小时。所得的复合材料热导率380W/(m·K)，线膨胀系数11.6×10-6K，增强体所占的体积份数为15％。
实施例3
将纯钛粉与30μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料68小时取出，在氩气保护气氛中600℃处理1小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜30g/L、焦磷酸钾400g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度3.5A/dm2，搅拌速度500r/min，温度50℃的电沉积制备工艺10小时。所得的复合材料热导率480W/(m·K)，线膨胀系数8.6×10-6K，增强体所占的体积份数为40％。
实施例4
将纯钼粉与125μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料100小时取出，在氩气保护气氛中600℃处理1.5小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜10g/L、焦磷酸钾200g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度4.0A/dm2，搅拌速度600r/min，温度50℃的电沉积制备工艺48小时。所得的复合材料热导率700W/(m·K)，线膨胀系数5.6×10-6K，增强体所占的体积份数为50％。
实施例5
将纯钨粉与91μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料72小时取出，在氩气保护气氛中550℃处理1小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜60g/L、焦磷酸钾270g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度2.2A/dm2，搅拌速度550r/min，温度50℃的电沉积制备工艺36小时。所得的复合材料热导率750W/(m·K)，线膨胀系数5.0×10-6K，增强体所占的体积份数为65％。
实施例6
将纯铬粉与65μm金刚石颗粒共同放入混料罐中，混料36小时取出，在氩气保护气氛中450℃处理1.5小时，随炉冷却后放入焦磷酸铜55g/L、焦磷酸钾200g/L、柠檬酸铵60g/L的电沉积溶液中，采用电流密度3.0A/dm2，搅拌速度400r/min，温度50℃的电沉积制备工艺18小时。所得的复合材料热导率550W/(m·K)，线膨胀系数8.8×10-6K，增强体所占的体积份数为48％。
与现有技术相比，本发明解决了金刚石/铜界面结合不好的问题，避免高温条件下金刚石石墨化等问题，所制备的复合材料具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，可满足大功率集成电路封装材料的需求。

Claims (4)

1.一种金刚石/铜高导热复合材料，其特征在于：该复合材料是由包覆铬、钼、钨或钛的金刚石颗粒增强体和基体铜混合而成，其中金刚石颗粒增强体在材料中所占的体积份数为15％～65％。
2.根据权利要求1所述的金刚石/铜高导热复合材料，其特征在于：所述的金刚石颗粒尺寸为0.5～125μm。
3.根据权利要求1所述的金刚石/铜高导热复合材料，其特征在于：包覆金刚石颗粒的铬、钼、钨或钛层的厚度为0.05～3μm。
4.用于制备上述权利要求1所述的金刚石/铜高导热复合材料的方法，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)将金刚石颗粒与纯铬、钼、钨或钛粉在混料机中充分混合后取出，在氩气保护气氛中加热到300～600℃，保温0.5～2小时，随炉冷却，所得的金刚石表面包覆有铬、钼、钨或钛层；
(2)将包覆着铬、钼、钨或钛的金刚石颗粒置于电解液中，进行电沉积铜的制备工艺，该工艺参数为：
电沉积溶液组成：焦磷酸铜10-80g/L、焦磷酸钾200400g/L、柠檬酸铵60g/L；
电沉积工艺条件：电流密度0.5-4.0A/dm2，搅拌速度200-600r/min，温度50℃。
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